衍生式设计和 3D 打印：明天的制造

衍生式设计是一种软件工具，可让工程师和设计师以更具创新性和效率的方式解决设计问题。衍生式设计算法通过定义目标和约束来探索所有可能的设计解决方案，为工程师提供多种探索选择 .

虽然仍处于起步阶段，但衍生式设计已显示出在工业应用方面的巨大潜力，尤其是与 3D 打印结合使用时。衍生式设计和 3D 打印一起可以实现更大的设计灵活性，同时创造更轻、更坚固的零件。

今天，我们将着眼于使用衍生式设计的好处和当前挑战，尤其是与 3D 打印结合使用时。我们还将探索一些与 3D 打印一起使用的最流行的衍生式设计软件，并了解利用衍生式设计技术推动创新的公司。

什么是衍生式设计？

衍生式设计是一项相当新的技术。与任何新技术一样，业界对其定义仍缺乏共识。尽管如此，似乎有两种主要的方式来看待衍生式设计：要么作为包含拓扑优化的广义术语，要么作为一种完全不同的技术。

生成式设计的普遍观点将其描述为一种利用强大的计算来协助设计过程的技术。

以下是衍生式设计的工作原理：

1.设置参数

设计师根据重量、材料、尺寸、成本、强度和制造方法等参数指定和设置零件设计的参数。

2.生成设计

衍生式设计软件使用算法来探索和生成数以千计的设计选项。在这个阶段，软件还可以使用人工智能算法来分析每个设计并建立最有效的设计。

3.选择最佳选项
然后设计师可以研究这些设计并选择最能满足设计目标的结果。

为了确定设计的几何形状，衍生式设计算法可以使用一系列不同的方法，例如作为拓扑优化、仿生学和形态发生。

这些方法之间的主要区别在于，拓扑优化算法通常从预先存在的设计开始，并从中去除材料以减轻零件的重量。

相比之下，仿生学和形态发生模仿大自然的进化设计方法，例如树根和树枝的生长，或骨骼结构的进化，以此来生成设计选项。

衍生式设计的好处

当与 3D 打印一起使用时，好处可以进一步扩大，包括降低制造成本和提高生产力。我们确定了 3 个核心优势：

1.创新设计选项

衍生式设计软件可以产生超出人类想象的几何图形，从而增强人类在产品设计中的能力。

2.轻量化

衍生式设计工具为工程师提供资源，使用最少的必要材料创建轻量级零件，同时遵守工程要求。

3.部分合并

衍生式设计可以提供将子组件合并为单个零件的解决方案。合并零件可简化组装过程、维护并降低整体制造成本。

为什么衍生式设计非常适合 3D 打印？

衍生式设计软件有助于将具有复杂有机形状的零件概念化。另一方面，3D 打印可能是将这些形状变为现实的理想技术，因为它不仅能够创建复杂的几何形状，而且还具有成本效益。对于传统制造，由于成本高或技术限制，生产这些形状通常是不切实际的，如果不是不可能的话。

但是，声明衍生式设计仅限于仅增材制造，尽管在许多情况下该技术将是最优化的生产方法。借助一些衍生式设计软件包，除了 AM 之外，您还可以指定 CNC 加工、铸造或注塑成型等制造方法。

衍生式设计的挑战

目前，衍生式设计处于早期发展阶段，这意味着早期用户可能会遇到一些挑战。

#1：学习曲线

例如，以可计算的术语准确定义生成式设计软件必须解决的设计问题，将涉及陡峭的学习曲线。没有将设计问题表示为一组参数的工程师可能最终会得到松散定义的结构约束或载荷，这最终会导致设计失败。

#2：设计与制造之间的差距

生成式设计要考虑的另一点是，高效的设计并不总是可以高效制造的。例如，在雷尼绍案例研究中，工程师对悬挂曲柄进行拓扑优化。然而，他们没有考虑优化部件的可制造性。这导致设计需要打印大量支撑，而一个好的做法是设计需要尽可能少的支撑的零件。

#3：具有挑战性的几何形状

此外，借助衍生式设计工具创建的设计可以创建即使对于 3D 打印也具有挑战性的几何图形。悬垂的特征和薄壁只是这方面的几个例子。然而，新的衍生式设计工具提供了允许用户指定附加制造数据的选项，例如悬垂角度和最小壁厚。

#4：需要的资源

最后，衍生式设计方法可能是计算密集型的，并且需要强大的硬件计算能力。然而，越来越多的公司提供利用云计算的衍生式设计软件，从而无需投资昂贵的硬件。

用于 3D 打印的衍生式设计软件解决方案

虽然衍生式设计软件市场是新的，但已经有许多软件包可用于增材制造和减材制造。在本节中，我们将了解一些最有前途的 3D 打印衍生式设计产品。

欧特克衍生式设计

Autodesk 一直处于衍生式设计开发的前沿。 4 月，该公司推出了 Autodesk 创成式设计平台，并将其整合到其基于云的 Fusion 360 Ultimate 产品开发软件中。

工作原理

该平台允许工程师定义设计参数，如材料、尺寸、重量、强度、制造方法和成本限制。值得注意的是，该软件使用基于人工智能的算法，有助于在一系列设计选项中筛选有效设计。该软件还考虑了可制造性，允许设计师选择多达十种不同的增材制造材料来研究设计。

Frustum GENERATE

Frustum 是一家成立于 2014 年的年轻公司，希望成为衍生式设计领域的重要参与者。该公司的产品是其 GENERATE 软件——一个直观的程序，用于为增材制造、铣削和铸造创建拓扑优化组件。 GENERATE 是一个基于云的平台，分为三个级别：免费、专业和企业。

工作原理

在 GENERATE 中，用户将特定的载荷和约束值分配给零件的面。该程序由 Frustum 的生成式设计引擎 TrueSOLIDⓇ 提供支持，然后生成应力集中的有限元分析 (FEA) 图。使用此贴图，用户可以修改零件的几何形状，特别是减少其结构中不必要的材料量。该模型可以保存为 STL 格式并准备好进行 3D 打印。

去年 Frustum 宣布与西门子建立合作伙伴关系，目前，该技术已获得 Siemens PLM 软件的商业许可，并已集成到 Siemens NX 和 Siemens SolidEdge 中。

桌面Metal's Live Parts™

来自美国金属 AM 系统制造商 Desktop Metal 的研究小组 DM Lab 最近宣布了其名为 Live Parts™ 的实验技术。

工作原理

Live Parts™ 生成式设计平台使用受自然启发的算法，该算法根据一组预定参数（如尺寸、用途和重量）使零件“生长”。该程序通过将其从种子细胞开发为坚固、轻便且抗疲劳的优化结构来创建设计。 “生长”零件的过程通常需要 5 到 5 分钟，具体取决于模型的大小。

衍生式设计实践

虽然衍生式设计的产品远未成为主流，但它们对航空航天、汽车和医疗等高价值行业有着广阔的前景。为了率先从衍生式设计和增材制造产品中获益，这些行业的一些公司已经开始研究两者的结合。

汽车

例如，布加迪汽车通过3D打印和衍生式设计，在西门子衍生式设计软件的测试项目中，为1500 PS Chiron超级跑车创新了真翼控制系统。

使用西门子 NX 平台，该汽车制造商能够优化组件的重量，然后用钛和碳纤维 3D 打印该组件。这种方法使重量减轻了 50% 以上。

通用汽车公司是另一家汽车制造商，该公司通过使用 Autodesk 衍生式设计软件探索衍生式设计和 3D 打印的未来产品可能性。

“在通用汽车，我们看到衍生式设计与增材制造工艺相结合的巨大潜力，可以实现符合我们预期性能标准的轻量化零件设计，” 通用汽车公司增材制造总监 Kevin Quinn 说。

目前，通用汽车不会 3D 打印用于生产的衍生式设计零件，而是专注于概念验证。例如，在一个初始项目中，通用汽车使用 Autodesk 的软件制作了 150 多个座椅支架设计选项。它们比目前使用的支架轻 40%，坚固 20%。该公司还能够将支架的八个不同组件整合为一个 3D 打印部件。

然而，一家汽车公司通过衍生式设计和批量生产的 3D 打印部件实现了里程碑。宝马最近展示了其屡获殊荣的 BMW i8 跑车车顶支架。宝马的工程师使用拓扑优化来最大限度地减少零件所需的材料量，然后用钛 3D 打印零件。拓扑优化不仅使重量减轻了 44%，而且还创造了一种在 3D 打印过程中不需要支撑结构的设计。

医疗

在医疗领域，衍生式设计可用于制造可再现人体骨骼多孔特性的植入物。 NuVasive 是一家总部位于美国的医疗公司，使用其专有的设计优化软件来制造钛植入物。该软件支持格状、非对称、轻量级设计，而这只有通过增材制造才能实现。

展望未来：衍生式设计的未来

随着生成式设计越来越多地集成到产品设计工作流程中，跨行业使用的衍生式设计示例变得越来越普遍。虽然它仍然是一项相对较新的技术，但它已经为工程师提供了一种看待产品设计的全新方式。

虽然人工智能和机器学习在生成式设计技术的大部分最新进展中发挥了重要作用，但增材制造在推动生成式设计软件的采用方面也发挥了关键作用。随着机器学习、云计算能力和 AM 的进一步进步，预计衍生式设计技术将随之而来，成为未来制造的关键因素。